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Bérénice Marlohe naît d'une mère professeur française et d'un père médecin sino-cambodgien[2]. Lim est le surnom de sa grand-mère paternelle. Elle grandit en région parisienne. Après avoir suivi les cours du conservatoire de Paris[3],[4], elle se consacre brièvement au mannequinat, puis commence une carrière d'actrice[2],[5]. La jeune femme suit les cours de Béatrice Brout et s'initie à l'improvisation, en particulier avec le comédien Philippe Lelièvre[6].
Alors qu'elle peine à décrocher des rôles en France, Bérénice Marlohe obtient une audition en contactant directement la directrice de casting du 23e film de la série James Bond[2]. Elle est retenue pour interpréter une « James Bond girl » dans Skyfall, dont le tournage débute en [3],[7]. Pour mieux incarner le rôle de Séverine, Marlohe s'entraîne au maniement des armes à feu[6].